风力发电机组的尾流及其影响
单台风电机组尾流流场模拟
单台风电机组尾流流场模拟李品;王东升;崔岩松【摘要】基于CFD的数值模拟的方法,利用Fluent软件对单台风电机组的尾流流场进行数值模拟,得出尾流区中风速的分布规律,并对模拟结果进行分析.根据Larsen尾流模型,计算得到尾流区风速分布,并将二者结果进行相互验证.结果表明,二者计算结果相符,该方法可为风电场微观选址,合理布置风电机组减少尾流效应不利影响提供参考,并得到Larsen尾流模型的适用条件.【期刊名称】《东方汽轮机》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】5页(P51-55)【关键词】风力涡轮机;尾流流场;CFD数值模拟;微观选址【作者】李品;王东升;崔岩松【作者单位】河北建投新能源有限公司,河北石家庄,050000;东方电气自动控制工程有限公司,四川德阳,618000;河北建投新能源有限公司,河北石家庄,050000【正文语种】中文【中图分类】TK830 引言在风电场中，风经过旋转的风轮后会发生速度大小和方向的变化，这种对初始空气来流的影响称之为风力机的尾流效应。
尾流导致气流中附加风剪切和湍流强度，这会影响下游风力发电机组的疲劳载荷和结构性能等因素，减少风力机的输出功率，进而影响整个风电场的总输出功率。
因此，开展风电机组尾流场的研究对于合理布置风力发电机组，减少风力发电机组间尾流干扰，进而提高整个风电场的发电效率有着重要意义。
国内外许多专家学者对风电机组的尾流效应开展了广泛研究，一类是尾流模型研究方法，这些模型是由学者提出的简化尾流模型，然后利用实验数据检验模型并且进行修正。
比如WAsP采用的Park模型、Ainslie提出的涡粘性尾流模型、Larsen 尾流模型、 Jensen模型、 AV（AeroViroment）尾流模型等等。
其中Larsen模型是基于旋转对称湍流边界层公式的渐进表达式的半解析尾流模型，尾流区边界非线性并且某一点的风速除了与风力机后距离有关还与距离中线的距离有关，更加符合实际，在欧洲风电机组项目标准中被推荐使用。
风电机组整机基础知识
空气密度按照标准空气密度(1.225kg/m3)计算功率曲线如下。
5.风力发电机的主要种类
竖轴式
横轴式
横轴风力发电机和竖轴风力发电机根据叶片固定轴的方位， 风力发电机可以分为横轴和竖轴两类。竖轴式风电机工作时转轴 方向与风向一致，横轴式风电机转轴方向与风向成直角。 横轴式风电机通常需要不停地变向以保持与风向一致。而 竖轴式风电机则不必如此，因为它可以收集不同来向的风能。 横轴式风电机在世界上占主流位置。 逆风风力发电机和顺风风力发电机 逆风风电机是一种风轮面向来风的横轴式风电机。而对於顺 风风电机，来风是从风轮的背後吹来。大多数的风力发电机是逆 风式的。 单叶片、双叶片和三叶片风力发电机 叶片的数目由很多因素决定，其中包括空气动力效率、复杂 度、成本、噪音、美 学要求等等。大型风力发电机可由1、2或 者3片叶片构成。叶片较少的风力发 电机通常需要更高的转速以 提取风中的能量，因此噪音比较大 。而如果叶片 太多，它们之 间会相互作用而降低系统效率。目前3叶片风电机是主流。从美 学角度上看，3叶片的风电机看上去较为平衡和美观。
抗拉强度：
当钢材屈服到一定程度后，由于内部晶粒重新 排列，其抵抗变形能力又重新提高，此时变形 虽然发展很快，但却只能随着应力的提高而提 高，直至应力达最大值。此后，钢材抵抗变形 的能力明显降低，并在最薄弱处发生较大的塑 性变形，此处试件截面迅速缩小，出现颈缩现 象，直至断裂破坏。钢材受拉断裂前的最大应 力值（b点对应值）称为强度极限或抗拉强度。
齿轮箱的重量约占机舱重量的1/2。 减振元件增加在齿轮箱与主机架之间。
5.润滑冷却系统
对齿轮和轴承的保护作用： • 减小摩擦和磨损，具有更高 的承载能力，防止胶合。 • 吸收冲击和振动。 • 防止疲劳点蚀。 • 冷却、防锈、抗腐蚀。
风电场的环境问题
风电场的环境问题风电场建设对周边环境影响可分为有利影响和不利影响。
_有利影响(1)充分采用风能资源，削减常规能源的消耗，符合我国能源改革的方向。
而且风能又是可再生能源(即在同一地点相距6~8倍风轮高度的距离后风能又达到原值)。
取之不尽，用之不竭。
(2)风力发电场对比同规模使用燃煤电厂其向大气排放的污染物为零，实现固体、气体零排放。
对爱护大气环境有乐观作用。
(3)风力发电场比燃煤电厂可节约大量淡水资源，削减水环境污染。
特殊是对缺少淡水资源的沿海及干旱地区更重要。
(4)在沿海及旅游区风力机群也是一道风景线，可在肯定程度上反映经济、文化、环境相融洽的程度。
(5)通过实物教育，可增加公众开发自然资源、爱护环境的意识。
二对环境的不利影响1、噪声是公众关怀的一个重要问题风力发电机的噪声是来源于经过叶片的气流和风轮产生的尾流所形成，其强度依靠于叶尖线速度和叶片的空气动力负荷，这种噪声源与风力发电机的机型及塔架设计有关。
噪声影响分为单机影响和机群影响。
单机噪声：为了达到距风机150m处的噪声值小于45dB(A)的要求，厂商在制造时就实行了下措施，风电机选用隔音防震型，变速齿轮箱为减噪型，叶片用减速叶片等。
一般所用风机风轮转速在27r∕min,产生的噪声较小，据厂家介绍，离风机50-150m范围内，噪声级分别为53~33dB(A)°机群噪声：风力发电机机群的排列，是经过风洞试验后确定的，即风机行距在6D(D为风轮直径)，间距在4D~6D风速又恢复到常态，即噪声强度也随着风速减小而明显衰减。
因此不存在风力机群噪声总合影响的问题。
风力机的噪声主要来源于发电机，齿轮箱和浆叶切割空气产生的噪声，当前风力机的噪声水平随着工艺水平的提高而有较大的改善，如国产200kw风力机的噪水平如表1示。
表1国产200KW风力机噪声水平而我们生活中，常见的噪声水平如表2示。
表2生活中常见的噪声源的噪声水平由于上二表可知，风力机的噪声对环境影响不大，在距风力机500m外已基本不受影响。
技术问答题库(风电场部分)
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液压系统元器件损坏 11、偏航异常噪声原因？ 答案：润滑油或润滑脂严重缺失 偏航阻尼力矩过大 齿轮副轮齿损坏 偏航驱动装置中油位过低 12、偏航不对风原因？ 答案：风向标信号不准确 偏航系统的阻尼力矩过大或过小 偏航制动力矩达不到机组的设计值 偏航系统的偏航齿圈与偏航驱动装置的齿轮之间的齿侧间隙过大 14、偏航计数器故障原因？ 答案：连接螺栓松动 异物侵入 连接电缆损坏 磨损 15、如何降低齿轮箱噪声？ 答案：适当提高齿轮箱精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度 提高轴和轴承的刚度 合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振 16、控制系统的功能？ 答案：控制系统利用 DSP 微处理机或 PLC 或单片机，在正常运行状态
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2 接班人员酗酒精神状态明显不好。 3 在交接班过程中发生事故紧急操作任务，应暂停交接班，此时接班 人员应听从交班值长指挥， 并积极动协助处理。 4 公司领导风电场场长认为需暂缓交班的其它事项。 401 生产准备人员在移交生产工作中应重点检查以下项目？ 答案： 答案：1 图纸、资料、记录和试验报告； 2 设备、备品配件及专用工具清单； 3 设备质量情况和设备消缺情况及遗留问题； 4 运行监控系统及操作装置； 5 保护、联锁的试验及定值设定的正确性； 6 安全标示、安全设施、指示标志、设备标牌； 7 运行场地、场所。 402 风电机组控制系统应能检测的主要数据并设有要警报信号有 哪些？ 答案： 答案：1 发电机温度、有功与无功功率、电流、电压、频率、转速、 功率因数。 2 风轮转速、变桨距角度。 3 齿轮箱油位与油温。 4 液压装置油位与油压。
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答案：与风电场中各个风电机组建立通信连接 读取并显示风电机组的运行数据 风电机组的远程控制，包括远程开机、停机、左右偏航、复位等 历史运行数据的保存，查询及维护 风机故障报警，故障现场数据的保存与显示 风电机组运行数据的统计，包括日报表、月报表、年报表 绘制风速-功率曲线，风速分布曲线及风速趋势曲线 远程设置风电机组的运行参数 8、双馈变速恒频系统具有什么特点？ 答案：能实现与电网的简单连接，并可实现功率因数的调节 变频器的最大容量仅为发电机额定容量的 1/4-1/3 可以降低风力发电机运行时的噪声水平 由于风力机是变速运行，其运行速度能在一个较宽的范围内被调整到 风力机的最优化数值， 从而获得较高的风能利用率 9、偏航齿圈齿面磨损的原因？ 答案：齿轮的长期啮合运转 相互啮合的齿轮副齿侧间隙中渗入杂质 润滑油或润滑脂严重缺失使齿轮副处于干摩擦状态 10、偏航压力不稳原因？ 答案：液压管路出现渗漏 液压系统的保压蓄能装置出现故障
风力发电厂对环境的影响
，首先计算风电场输出功率的联合概率分布，并 由此建立适合多个风电场的可靠性模型与算法。 该模型不但考虑了风的随机性和机组的强迫停运 率，而且还考虑了风电场之间风的相关
性以及尾流效应和环境温度对风电场可靠性的影 响。 应用所建立的风电场发电可靠性模型可以进行含 风电场的电力系统随机生产模拟和风电场的技术 经济评估工作。 2.3含
门的LAN,以保证风力发电数据库的一致性；另一 种方案是把本LAN上的风力发电信息系统转化成 基于Web技术的/体系结构，在网上实现风力发电 数据库信息共享。 本文
介绍了风力发电方面的研究成果，包括风力发电 场的规划方法、含风电场的电力系统潮流计算模 型和方法、风电场对系统电能质量影响的计算方 法以及风力发电信息管理系统的结构和
费用。 可避免费用是并网运行风电场对电力系统贡献的 综合度量，也是评估风电场的重要指标。 3风电场并网运行研究 相对于常规发电厂，风电场在运行中具有两个显 著
特点，其一是风力发电机一般采用异步发电机， 在运行时需要从系统吸收无功功率来建立磁场， 从而使大型风电场并网运行后对局部电网的电压 水平有明显的影响；其二是由于风速为
型风力发电场。预计本世纪末我国风力发电机组 装机容量将接近1000MW。随着大型风力发电场 的开发和建设，风电场规划和运行的研究工作越 来越重要，这是保证风电场经济和
安全运行的基础工作[1]。 本文研究了风力发电场的规划方法，提出了含风 电场的电力系统潮流计算模型和方法，并以实际 系统为例进行了仿真与分析，最后还介绍了风力 发电
用价值。1引言随着全球经济的发展和人口的增 长，人类正面临着能源利用和环境保护两方面的 压力。一方面煤炭、石油和天然气等化石燃料的 储量由于本世纪下半叶的大量开采而日
益减少；另一方面是大量使用化石燃料对自然环 境产生了严重的污染和破坏。这两方面的问题已 经引起世界各国政府和人民的高度重视，并在积 极寻求一条可持续发展的能源道路。
风力发电科普知识（图文版）
风⼒发电科普知识（图⽂版）风⼒发电科普知识（图⽂版）⽬录什么是风能？----------------------------------------------------------------------------------4风能来源于何处？----------------------------------------------------------------------------5风功率如何计算？----------------------------------------------------------------------------5全球风能总量有多⼤？----------------------------------------------------------------------6我国风能总量有多少？----------------------------------------------------------------------6风是怎样形成的?-----------------------------------------------------------------------------6⼤⽓运动的受⼒影响是什么？-------------------------------------------------------------6地形对风有什么影响？----------------------------------------------------------------------7什么是海风，陆风；⼭风，⾕风？-------------------------------------------------------7为什么说风能是⼀种绿⾊能源？----------------------------------------------------------8发展风⼒发电具有什么优势？-------------------------------------------------------------9⼈类利⽤风能的历史-------------------------------------------------------------------------9什么是风电场？------------------------------------------------------------------------------10中国风⼒资源分布---------------------------------------------------------------------------11风⼒发电的经济性---------------------------------------------------------------------------12建⽴风电场的应⽤考虑有哪些⽅⾯？---------------------------------------------------13风⼒发电机噪⾳⼤么？---------------------------------------------------------------------14风⼒发电机组的分类及各⾃特点---------------------------------------------------------14风⼒发电机的功率曲线---------------------------------------------------------------------19什么是风⼒发电机的额定输出功率------------------------------------------------------20典型风⼒发电机各部件介绍---------------------------------------------------------------20风⼒发电机的⼯作原理---------------------------------------------------------------------28我国现阶段主要风⼒发电机型的发电过程---------------------------------------------29直驱式风⼒发电机组的特点---------------------------------------------------------------30什么是电⽹？---------------------------------------------------------------------------------32风机并⽹需要考虑哪些⽅⾯？------------------------------------------------------------32并⽹运⾏模式的规模划分------------------------------------------------------------------32风⼒发电机的并⽹有什么好处？---------------------------------------------------------33什么是“防孤岛功能”-----------------------------------------------------------------------33风⼒发电机并⽹运⾏的模式及其特点（根据发电机划分）------------------------33影响风电项⽬投资收益的⼏个因素------------------------------------------------------36风电项⽬开发流程---------------------------------------------------------------------------39风电项⽬的投资构成是什么？------------------------------------------------------------40风⼒发电项⽬的度电成本------------------------------------------------------------------41功率曲线与发电量---------------------------------------------------------------------------42风资源状况的评价指标---------------------------------------------------------------------43知识丰富⽣命！知识就是⼒量！什么是风能？风能就是空⽓的动能,是指风所负载的能量，风能的⼤⼩决定于风速和空⽓的密度。
尾流对航空器飞行安全的影响
飞行员
学习理论，认 识危害
加强训练，提 高技能
听从指挥，保 持间隔
19
前机/后机 A380-800
重型 中型
A380 无 无 无
重型 2分钟
无 无
中型 3分钟 2分钟
无
前机/后机
A380-800 重型 中型
表1：起飞离场非雷达间隔的尾流间隔
A380 无 无 无
重型 无 无 无
中型 3分钟 2分钟
10
尾流的危害
航路巡航：航空器高度难以维持，尤其RVSM运行，导致航 空出现机载防撞系统警告；航空器巡航阶段，受尾流影响，可 能会产生空中超限（过载、超速等）、颠簸伤人等。
进近阶段：更大的前后机间隔，大大降低了指挥效率；低空 尾流增加了CFIT风险；人工飞行阶段，航空器驾驶员过量的操 纵。
11
2008年11月，一架里尔45型号飞机坠毁
5
垂直方向运动
飞机产生的尾流在空中逐渐下沉，下沉速度可 达数百英尺每分钟。尾流的强度和下沉速度会随 着时间和距离逐渐减弱，下沉高度通常达到150米 至270米（500至900英尺）
6
尾流水平方向运动
当大型飞机的尾流接近地面(100到200英尺) 时,其会在略低于半个翼展的高度上以2或3海里/ 小时（1或2米/秒）的速度横向运动。
处上下表面的空气压力差，产生 一对绕着翼尖的闭合涡旋。 尾流是飞机机翼升力的 一个副产物，飞机从 起飞离地到降落的 整个过程中都会 产生尾流。
从飞机的后面看时，尾流 涡旋是
。
对飞行而言，尾流是
一种能量的损失形式
3
飞机重量
尾 流
载荷因素
强
飞行速度
度
空气密度
基于高斯分布的风电场尾流效应计算模型
基于高斯分布的风电场尾流效应计算模型张晓东;张梦雨;白鹤【摘要】风电机组群的尾流效应一直是大型风电场设计与运行优化中不可忽略的问题.随着风电技术的迅速发展,人们对风电场尾流模型的研究越来越重视.目前风电场设计软件中采用的尾流模型难以满足大型风电场尾流效应计算的工程需要.因此在Jensen模型基础上引入服从高斯分布的速度亏损模型,得到了一种新的适用于远场尾流的分析模型,并以此为理论基础建立了多台风电机组的三维尾流效应模型,开发了相应的计算软件.采用新的尾流模型和改进Jensen模型以及修正后的改进Jensen模型分别对丹麦Horns Rev风电场和大丰风电场的部分风电机组进行尾流模拟,将模拟计算的数据和实际运行数据进行对比,结果表明新模型的模拟效果优于其他两种模型.%The wake effect of wind turbines has always been a significant topic of large-sized wind farm design and optimization.With the rapid development of wind power technology,researchers pay more attention to the wake model of wind farms.As present common used wake models used in wind farm design software are hard to satisfy the project needs of wake effect calculation of large-sized wind farm,velocity deficit model following Gaussian distribution has been introduced based on Jensen type models,which is a new analysis model suitable for far-field analytical wake.With the above model as theoretical basis,researchers established 3D discrete wake effect model of more than one wind turbines and developed new calculation software.The new wake model and the improved Jensen model as well as the improved Jensen model after a second modification are used to conduct wake simulations for some windturbines from Denmark Horns Rev offshore wind farm and DaFeng onshore wind farm.The results show that simulation effect of the new model is better than that of the used improved Jensen model and its amended one by comparing simulated calculation result with actual operating data.【期刊名称】《华北电力大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2017(044)005【总页数】5页(P99-103)【关键词】风力发电;风电场;全场尾流模型;高斯分布;速度亏损;功率亏损【作者】张晓东;张梦雨;白鹤【作者单位】华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京102206;华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京102206;北京金风慧能技术有限公司,北京100176【正文语种】中文【中图分类】TM614随着风力发电技术的进步，风电机组的单机容量增大，风电机组群的规模也在增大。
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风力发电机组正在变得越来越大，叶片也变得越来越长，对风力发电机组尾流效应特性的理
解，就因此变得越来越重要了。唯有如此，才能正确地找到风力发电机组的最佳排布，获得
最优化的发电量，同时使风险得到有效控制。
下面小编就带领大家了解一下尾流的特征以及影响。
1.尾流的定义
因为风力发电机组从风中吸收能量发电，根据能量守恒原理，风吹过风力发电机组后，能量
一定比之前降低了。因此，风力发电机组总是在后面形成风影，即尾流，就像船舶驶过后，
在水面上形成的尾流。
图1 风电场的尾流图
2.尾流的基本结构特征
风力发电机组尾流的结构包括多个区域，如下图所示，它们分别是近区、中间区和远区。每
个区的长度取决于风轮直径的大小，同时还与气压、风速和大气稳定度有关。
图2 风力发电机组尾流结构
1）尾流近区的特征
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①长度约为风轮直径的2~4倍；
②随着气流管道扩展到叶片边缘，风力发电机组前面（迎风面）气压增加，然后在风轮面另
一侧突然降低，之后在近区内不断增加，直到恢复到自由风流的压力Pa；
③气流管道内部的风速在接近风力发电机组时降低，并在风力发电机组风轮面的另一侧保持
不变，然后在近区内，随着气压值逐渐恢复到Pa而继续降低；
④近区内尾流的半径增加，并当气压恢复到Pa时达到最大。由于质量守恒和动量守恒定律，
风速下降。
2）尾流中间区的特征
①长度约为风轮直径的2~3倍，当混合层的内边界与中央轴线相交时结束。交点处风速发生
变化；
②中间区的气压保持不变，始终等于Pa；
③尾流区的外边界的湍流增加，而中央线处的风速保持不变。
3）尾流远区的特征
①长度超过5倍风轮直径；
②气压不变，等于Pa；
③由于湍流混合，中央线的风速开始稳步增加，恢复到自由气流的风速值Va。
根据每个区的特征，可以选择风力发电机组之间的最佳距离，从而使风力发电机组之间的相
互影响最小。由于尾流效应对风向的敏感性，主导风向对风力发电机组的排布方案起到决定
性作用。在主导风向上，风力发电机组的距离应该至少达到中间区的末端。
3.尾流对风电场的影响
目前复杂山地风电场较多，较高的湍流强度是复杂风电场的主要特征之一。湍流强度增强了
山顶的地形加速效应，并在下风坡以更快的速度衰减，而风力发电机组的存在加强了这一效
应。湍流强度的增加降低了风力发电机组的推力系数，这意味着尾流强度变弱，但持续的距
离更长。而对于海上风电场，风向对于整个风电场的尾流损失而言非常重要。沿着风力发电
机组排布很窄的风向区间内，发电量降低非常显著。当风向偏离排布线后，发电量损失随着
风向变化快速减小。
4.结语
由于尾流的存在，风力发电机组之间必须保持一定的距离，既是出于提高发电量的考虑，也
是为了使风力发电机组能够安全运行。对风电场尾流效应的研究是风力发电机组排布优化的
关键之一，也是实现风电场最佳效益的关键。